凱迪拉克CT6豪華轎車PHEV驅(qū)動系統(tǒng)電子組件功能解析

◆作者/美國 Amanullah Khan 編譯/江蘇 高惠民

一、概述

凱迪拉克CT6插電式混合動力汽車(PHEV)專為高端汽車市場設(shè)計的。驅(qū)動系統(tǒng)包括了全新的后輪驅(qū)動電動變速器(EVT)，與具有火花點(diǎn)火、直接噴射和可變氣門正時技術(shù)的2.0L渦輪4缸發(fā)動機(jī)配套。使用完全集成兩電動機(jī)的電動變速器系統(tǒng)可在整個行駛范圍內(nèi)提供平穩(wěn)，連續(xù)的動力。一個18.4kWh的鋰離子可充電儲能系統(tǒng)(RESS)位于后座和后備箱之間，并與車輛電動機(jī)相連。發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的牽引功率逆變器模塊(TPIM)控制變速器傳動。CT6 PHEV系統(tǒng)的主要組件布置如圖1所示，其中還包括附件電源模塊(APM)和車載充電模塊(OBCM)。

圖1 CT6 PHEV車輛驅(qū)動系統(tǒng)組件布置

二、電池組

高壓動力電池組如圖2所示，是一種可充電能量存儲系統(tǒng)，包括192個棱形袋裝電池，該電池采用了與第二代雪佛蘭Volt相同的最新一代化學(xué)物質(zhì)，以一系列2對并聯(lián)和96對串聯(lián)而成電池組布置，這種布置用于后驅(qū)車輛上。在雪佛蘭Volt中，RESS占據(jù)了中控臺和后排座椅前邊緣下方的空間，但是在CT6中，RESS沒有占據(jù)從中控臺下方到后輪驅(qū)動軸之間的空間。CT6 PHEV電池系統(tǒng)還使用了與雪佛蘭Volt相同類型的經(jīng)過驗證的主動熱控制系統(tǒng)。通過電池之間的液體冷卻所保持的相對較低的穩(wěn)定溫度，有助于在RESS的整個生命周期中保持相對穩(wěn)定的電氣數(shù)據(jù)范圍。表1所示為用于確定CT6 PHEV中RESS大小的一些關(guān)鍵設(shè)計要求。

圖2 CT6 PHEV可充電儲能系統(tǒng)(動力電池)

作為高端豪華轎車，CT6 PHEV同時使用電池組和渦輪增壓發(fā)動機(jī)，以實現(xiàn)最高的加速和速度水平。這被稱為“混合PHEV”操作，當(dāng)存儲的能量和功率需求均允許時，僅使用電池，但為了最大可能的加速而混入發(fā)動機(jī)功率。相反，只要存儲的能量允許，電動汽車(V-REV)雪佛蘭Volt在較小范圍行駛完全由其電池供電，并且只有在電池中的能量耗盡或處于極端溫度后才使用發(fā)動機(jī)。凱迪拉克CT6是相對于其他混合動力，尤其是雪佛蘭Volt的增程式混合動力，其運(yùn)行模式，CT6有11種(純電動有4種)而VoⅠt只有4種模式(純電動只有一種)所以CT6的運(yùn)行模式組合的操作更靈活，電池能量的使用(充放電)能在更合理的范圍，電池能量和發(fā)動機(jī)能量的利用，更加適應(yīng)車輛加速與節(jié)能的互補(bǔ)。

三、高壓直流母線

凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動PHEV高壓(HV)直流母線機(jī)械化配電布置如下圖3所示。它包含為電動變速器內(nèi)兩個牽引電動機(jī)和一個電動油泵電動機(jī)供電的牽引功率逆變器模塊，空調(diào)壓縮機(jī)模塊(ACCM)，混合動力電加熱器模塊(HEH)和一個附件電源模塊作為HV電池與12V電池之間的DC-DC轉(zhuǎn)換器，車載充電器模塊，可從市電插座為電池充電?？沙潆妰δ芟到y(tǒng)，即HV電池組，使用一個被稱為電池斷開單元(BDU)的配電盒連接所有上述HV組件，該配電盒由車輛接口控制模塊(VICM)控制。

圖3 CT6 PHEV高壓直流母線配電布置

高壓直流母線機(jī)械化配電確保系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可控性，避免任何不希望出現(xiàn)的電路振蕩或電氣共振。它還使從充電到驅(qū)動的程序復(fù)雜性最小化，并且避免了在充電和驅(qū)動期間APM對低壓電源充電或使用需求的影響。

四、功率逆變模塊

牽引功率逆變器模塊滿足各種設(shè)計要求目標(biāo)。電力電子設(shè)計的總體目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)成本低、魯棒性強(qiáng)、效率高、性能優(yōu)越，即對驅(qū)動質(zhì)量和安全完整性的響應(yīng)。對于電力電子設(shè)計，除了組件總成級的驗證之外，所有電力電子部件都進(jìn)行系統(tǒng)級別的驗證測試，以證明在實驗室試驗與實際車輛使用中的設(shè)計穩(wěn)健性。其測試包括對高溫耐久性、熱沖擊、動力溫度循環(huán)、隨機(jī)振動、機(jī)械沖擊、濕度、鹽分侵蝕、終端電應(yīng)力和電磁兼容性。表2所示為TPIM的主要設(shè)計要求和設(shè)計改進(jìn)。

表2 牽引功率逆變器模塊要求和設(shè)計改進(jìn)參數(shù)

該設(shè)計逆變器A和逆變器B分別具有131kW和125kW峰值功率，并實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的23kW/L(逆變器A和逆變器B同時具有)功率密度。為滿足CT6 TPIM可靠性和魯棒性的設(shè)計目標(biāo)，將逆變器安裝到緊湊的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，是一個挑戰(zhàn)。日立汽車和通用汽車共同克服了設(shè)計工作這一挑戰(zhàn)困難。提高散熱性能并使用高效功率半導(dǎo)體減小逆變器的尺寸和增加功率輸出。通過一代代的改進(jìn)，消除了導(dǎo)熱油脂直接冷卻功率模塊的方法。日立汽車公司開發(fā)了一種直接的雙面冷卻功率模塊，將模塊浸入專用的冷卻液中的冷卻結(jié)構(gòu)，從而將散熱效率提高了約35%。TPIM設(shè)計的兩大組成部分分別是成本和尺寸，其中付出了很大的努力是針對電源模塊和大容量直流電源電容器觸點(diǎn)的焊接改進(jìn)。雙面直接的冷卻電源模塊相腳如圖4(a)和水冷無源直流大容量薄膜電容器如圖4(b)。

圖4 日立電源模塊相腳和直流大容量電容器

五、其他高壓組件

如圖5所示，其他高壓組件是附件電源模塊和車載充電器模塊連接到高壓電池，

圖5 輔助電源模塊和車載充電器模塊

如圖5(a)和5(b)所示，這兩個組件與第二代雪佛蘭Volt相同。附件電源模塊是高壓直流電源與低壓12V直流電源和車輛低壓附件之間的單向DC-DC轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動和充電以及系統(tǒng)熱管理過程中均可運(yùn)行。因此，對于以上類型的操作，APM必須具有足夠的耐用性。OBCM設(shè)計為2級充電器，可從220～240V交流公用電源插座中獲取電能為HV電池充電，電池充滿約5h。雖然配備有兩種規(guī)格的電源插座(中國GB或北美SAE插座)，但車輛都具有相同的交流電壓車載充電接口。這兩個組件的主要要求和設(shè)計改進(jìn)參數(shù)如表3所示。在正常條件下，從墻壁插座到HV電池端子的平均總充電效率約為87%。

表3 附件電源模塊和車載充電器模塊的要求和設(shè)計改進(jìn)參數(shù)

六、系統(tǒng)性能與效率

凱迪拉克CT6動力電池具有良好的能量儲備和供電能力，在SOC范圍內(nèi)可以提供相對恒定的功率，以在整個正常運(yùn)行期間為發(fā)動機(jī)提供幫助。這使車輛具有一致的性能，尤其是可持續(xù)加速行駛。圖6所示為發(fā)動機(jī)關(guān)閉和發(fā)動機(jī)運(yùn)行時最大的車輛牽引力。電動變速器系統(tǒng)還通過CVT變速的優(yōu)勢提高了燃油效率，從而提高了發(fā)動機(jī)的運(yùn)行效率。

圖6 CT6 PHEV最大牽引力

它允許在任何給定的運(yùn)行功率條件下自由地控制發(fā)動機(jī)工作，使其接近最高效的點(diǎn)。當(dāng)不需要CVT操作時，通過固定傳動比并聯(lián)混合動力驅(qū)動模式非常靈活，也可以提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。固定齒輪傳動比的使用，不僅消除了通過電動-發(fā)電機(jī)從發(fā)動機(jī)傳遞來的系統(tǒng)能量損失，而且也減少了電動機(jī)損耗。

表4總結(jié)了通用凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動系統(tǒng)與主要競爭對手的規(guī)格和性能。電動變速器系統(tǒng)具有出色的功率提升能力，可提供更好的0-100kW/h的起步加速時間。同時，由于高效的EVT變速器和集成良好的電池均衡系統(tǒng)，使得車輛具有更長的EV行駛里程，更大的電池容量和更好的燃料消耗率。

表4 凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動系統(tǒng)與主要競爭車輛規(guī)格和性能比較